[发明专利]一种铸造用超声电源系统及谐振工作点自动跟踪方法

权利要求书

1.一种铸造用超声电源控制系统，其特征在于：它包括电压变换与调节单元、单相全桥逆变单元、高频变压器、调谐匹配单元、超声换能器、驱动电路，电压检测单元、电流检测单元、触摸屏控制面板以及控制单元；其中，

电压变换与调节单元输出端连接到单相全桥逆变单元，接收来自控制单元的PWM给定信号，实现电压的调节；

单相全桥逆变单元，用于接收高频PWM驱动信号，实现功率放大，其输出端连接至高频变压器；

高频变压器，用于将超声功率信号传递到超声换能器侧，连接单相全桥逆变单元与调谐匹配单元；

调谐匹配单元，接收来自控制单元的给定信号，输出端与超声换能器连接，实现对超声换能器的实时调谐匹配；

驱动电路，用于将控制模块发送的PWM信号转换为单相全桥逆变单元功率管的驱动信号；

电压检测单元、电流检测单元，用于采集超声换能器两端的电压和流经超声换能器的工作电流，并传送至控制单元；

触摸屏控制面板，与控制器相连，用于实时显示检测到的数据以及超声换能器的工作频率、输出功率、电压与电流相位差大小，并用于输入、输出参数的设定和调整；

控制单元，用于接收超声换能器的实时工作电压、电流信号，经过内嵌的算法计算，得到超声换能器工作电压、电流的幅值、频率和相位差大小，并通过输出PWM3信号调整电压变换与调节单元的电压大小、修改PWM驱动信号的频率以及调谐匹配单元的电感值大小。

2.根据权利要求1所述的铸造用超声电源控制系统，其特征在于：电压变换与调节单元使用大功率半桥开关电源，具有SG3525集成开关电源控制芯片，具有外部PWM给定信号处理接口将PWM信号转换成直流信号，送至内置的SG3525集成开关电源芯片，用于输出电压的调整。

3.根据权利要求1所述的铸造用超声电源控制系统，其特征在于：所述全桥逆变单元为单相全桥逆变电路，使用4只N沟道型MOSFET功率管。

4.根据权利要求3所述的铸造用超声电源控制系统，其特征在于：所述单相全桥逆变单元的功率管驱动电路包括逻辑互锁电路和IR2110驱动芯片，逻辑互锁电路有2个PNP三极管组成，实现上下桥臂驱动电平的互锁功能，IR2110为双通道高压、高速电压型功率开关器件，高压侧采取自举悬浮驱动技术，只需要一路电源即可同时驱动上、下桥臂。

5.根据权利要求1所述的铸造用超声电源控制系统，其特征在于：所述调谐匹配单元使用1个固定静态匹配电感和4个动态匹配电感组成，4个动态匹配电感由继电器实现投入与切断。

6.根据权利要求1所述的铸造用超声电源控制系统，其特征在于：所述控制单元包括微处理器、电压、电流及其相位整形处理模块，用于对超声换能器工作电压、电流及相位差信号进行处理，并具有RS-485和CAN通信接口。

7.根据权利要求1-6所述的超声电源系统的谐振工作点自动跟踪方法，其特征在于，包括如下步骤：

a) 将电压变换与调节单元的输出电压调节到最低工作电压门槛值V1，并将4个动态匹配电感全部投入；

b) 控制单元输出频率为f0的PWM驱动信号至单相全桥逆变单元，使高频信号通过高频变压器和调谐匹配单元加载到超声换能器两端；

c) 控制单元以T为周期对超声换能器两端的电压、电流及其相位差信号进行采集，并且以动态匹配电感的最小分辨率值进行减小，直到所有的动态匹配电感全部切除，在电感逐步减小的每个周期内，控制单元在记录各个动态电感值匹配的情况下超声换能器两端电压、电流及其相位差数据集Array0；

d) 在数据集Array0中，找出电流值大于某个门槛值I1的数据集Array1，若Array1为空，则将f0减小fs，并跳至步骤b)；若Array1不为空，则跳至步骤e)；

e) 在数据集Array1中，搜寻相位差在[-5 +5]范围内的数据集Array2，若Array2为空，则将f0减小fs，并跳至步骤b)；若Array1不为空，则跳至步骤f)；

f) 在数据集Array2中，搜寻电流值最大的点，并将其对应的动态电感值Lp为匹配电感；

g) 确定动态匹配电感Lp后，以相位差为0作为目标调整PWM的频率；当相位差大于0时，则以Δf为步长减小f0；当相位差小于0时，则以Δf为步长增加f0；使超声换能器两端的电压电流相位差为0；

h) 在步骤g)的周期控制过程中，若频率偏移大于门槛值fmax，则以动态匹配电感的最小分辨率值进行减小电感，使f0减小fd，并跳转到步骤c)；若频率偏移小于门槛值fmin，则以动态匹配电感的最小分辨率值进行增加电感，使f0增加fd，并跳转到步骤c)。